JP5261426B2

JP5261426B2 - 粒子状物質発生装置及び粒子状物質発生方法

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Publication number: JP5261426B2
Application number: JP2010065901A
Authority: JP
Inventors: 博章石川; 博之矢野; 武義川原; 俊彦土方
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: JP2011196909A

Description

本発明は、粒子状物質発生装置及び粒子状物質発生方法に関し、さらに詳しくは、燃焼温度の高い粒子状物質を発生させることができる粒子状物質発生装置及び粒子状物質発生方法に関する。

各種の内燃機関等から排出される排気ガス中の微粒子や有害物質は、人体、環境への影響が大きく、これらの大気への放出を防止する必要性が高まっている。特にディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：ＰＭ）やＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）等は影響が甚大であり、それらにかかる規制は世界的に強化されている。そこで、ＰＭを捕集するためのフィルタ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ：ＤＰＦ）や、ＮＯ_Ｘを窒素と水に還元する等の特性を有する触媒、を備えた排気ガス浄化装置の研究、開発が進められ、高性能な排気ガス浄化装置が市場に提供されるようになった。

このような排気ガス浄化装置を製造するに際しては、その排気ガス浄化装置を試験し、その性能や耐久性を正確に高い精度で評価する必要がある。排気ガス浄化装置の性能等を評価する手段としては、実際の自動車エンジン等からの排気ガスを排気ガス浄化装置に供給して、その処理ガスを分析する方法が挙げられる。また、カーボン粉末や実際の排気ガスから採取した粒子状物質を用い、これをガス中に混合して、実際の自動車エンジンからの排気ガスを模した排気ガスを製造し、それを排気ガス浄化装置に供給して、その処理ガスを分析する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。更には、軽油又は炭化水素を燃焼させて粒子状物質を含む排気ガスを発生させる方法や、黒鉛電極をスパークさせて粒子状物質を含む排気ガスを発生させる方法が知られており、これらにより得られた排気ガスを用いて、排気ガス浄化装置の性能等を評価することが可能である（例えば、特許文献１を参照）。

また、燃料間欠噴射手段を備え、燃焼用空気の中に燃料を間欠的に噴射することにより、燃焼ガス中に多量の粒子状物質を発生させ、その多量の粒子状物質を含む燃焼ガスを安全に、安定して排ガス浄化装置に供給することができるＰＭ（粒子状物質）発生装置が知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００５−２１４７４２号公報特開２００７−１５５７１２号公報

しかしながら、実際の自動車エンジン等からの排気ガスを利用する方法では、設備が大型化し高額になるという問題があった。また、自動車エンジンからの排気ガスを模した排気ガスを製造する方法では、一旦採取されたＰＭを用いることから、実際の排気ガスを十分に模擬したものとはいえないという問題があった。更に、軽油又は炭化水素を燃焼させてＰＭを含む排気ガスを発生させる方法ではＰＭの発生量の制御が困難であり且つ失火し易いという問題があった。黒鉛電極をスパークさせて粒子状物質を含む排気ガスを発生させる方法では、粒子状物質発生量が少なく、多量の粒子状物質を短時間に発生出来ないという問題があった。

また、燃料間欠噴射手段を備え、燃焼用空気の中に燃料を間欠的に噴射するＰＭ（粒子状物質）発生装置は、粒子状物質を多量に発生させることができる優れたものであるが、発生する粒子状物質の燃焼温度の観点から、更に改良の余地のあるものであった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、燃焼温度の高い粒子状物質を発生させることができる粒子状物質発生装置及び粒子状物質発生方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、以下の粒子状物質発生装置及び粒子状物質発生方法を提供する。

［１］燃焼用空気を供給するための空気入口及び発生した粒子状物質を含有する粒子状物質含有ガスを排出するためのガス出口を有し、気体燃料が内部で燃焼されて粒子状物質が発生する燃焼室と、前記燃焼室に挿入され気体燃料を前記燃焼室内に連続的に供給するメインバーナと、前記燃焼室に取り付けられ前記燃焼室に供給された気体燃料に着火するパイロットバーナとを備え、メインバーナが配置されている位置が、パイロットバーナが配置されている位置から下流側に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナが配置されている位置から上流側に向かって２００ｍｍの位置までの範囲内であり、前記燃焼室内の平均空気過剰率が０．９〜２．０であり、前記メインバーナから供給される気体燃料の前記メインバーナからの供給方向が、前記燃焼用空気の流れ方向を含む平面内における、前記燃焼用空気の流れ方向を０°方向とし前記燃焼用空気の流れ方向に直交する方向を９０°方向としたときの、９０°〜２７０°方向である粒子状物質発生装置。

［２］燃焼用空気の平均流速が、０．１〜２ｍ／秒である［１］に記載の粒子状物質発生装置。

［３］気体燃料が、メタン、エタン、プロパン、及びブタンから選択される少なくとも一種である［１］又は［２］に記載の粒子状物質発生装置。

［４］前記メインバーナが、前記気体燃料を供給する供給孔が１個形成され、前記供給孔の開口径が４〜１０ｍｍである管状構造である［１］〜［３］のいずれかに記載の粒子状物質発生装置。
［５］燃焼室が、円筒状、少なくとも一方の端部にテーパーが形成された円筒状、又は底面が多角形の筒状である［１］〜［４］のいずれかに記載の粒子状物質発生装置。

［６］［１］〜［５］のいずれかに記載の粒子状物質発生装置を用いて、粒子状物質を発生させる粒子状物質発生方法。

［７］平均空気過剰率が０．９〜２．０になるように、前記空気入口から前記燃焼用空気を供給し、前記メインバーナから前記気体燃料を連続的に供給し、前記パイロットバーナにより前記気体燃料に着火して前記気体燃料を燃焼させて粒子状物質を発生させ、前記粒子状物質を含有するガスを前記ガス出口から排出する［６］に記載の粒子状物質発生方法。

［８］［１］〜［５］のいずれかに記載の粒子状物質発生装置と、前記粒子状物質発生装置のガス出口側に配設された、評価試料である多孔質セラミック構造体を収納する試料収納容器とを備え、前記粒子状物質発生装置で発生した粒子状物質をガスと共に前記試料収納容器に送り、前記粒子状物質を含有する前記ガスを前記試料収納容器に収納された多孔質セラミック構造体に供給することができる多孔質セラミック構造体評価装置。

［９］冷却空気供給手段と、前記冷却空気供給手段から供給される空気の流量を制御する冷却空気流量制御手段とを更に備え、前記冷却空気供給手段から、前記粒子状物質発生装置と前記試料収納容器との間に、冷却空気を導入し、冷却空気と粒子状物質を含有するガスとを混合し、前記粒子状物質を含有するガスの温度制御をすることができる［８］に記載の多孔質セラミック構造体評価装置。

本発明の粒子状物質発生装置は、メインバーナとパイロットバーナの距離を近くし、燃焼エア（燃焼用空気）と気体燃料を、燃焼室内に共に連続的に供給しながら、高い空気過剰率で、当該気体燃料を燃焼させて粒子状物質を発生させるため、燃焼温度の高い粒子状物質を発生させることができる。

また、本発明の粒子状物質発生方法は、上記本発明の粒子状物質発生装置を用いて、粒子状物質を発生させるものであるため、燃焼温度の高い粒子状物質を発生させることができる。

本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態を模式的に示す側面図である。本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態を模式的に示す平面図である。本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態の断面を示す模式図である。本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態の断面を示す模式図である。本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態を構成するメインバーナを模式的に示す平面図である。本発明の多孔質セラミック構造体評価装置の一の実施形態を模式的に示す側面図である。本発明の多孔質セラミック構造体評価装置の一の実施形態を模式的に示す側面図である。本発明の多孔質セラミック構造体評価装置の一の実施形態で評価を行うセラミックハニカム構造体を模式的に示す斜視図である。本発明の多孔質セラミック構造体評価装置の一の実施形態で評価を行うセラミックハニカム構造体のセルの延びる方向に平行な断面を示す模式図である。

次に本発明を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

（１）粒子状物質発生装置：
本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態は、図１〜図３に示すように、「燃焼用空気Ｆ１を供給するための空気入口１及び発生した粒子状物質を含有する粒子状物質含有ガスＦ２を排出するためのガス出口２を有し、気体燃料が内部で燃焼されて粒子状物質が発生する」燃焼室３と、「燃焼室３に挿入され気体燃料を燃焼室３内に連続的に供給する」メインバーナ４と、「燃焼室３に取り付けられ燃焼室３に供給された気体燃料に着火する」パイロットバーナ６とを備えるものである。そして、メインバーナが配置されている位置が、パイロットバーナが配置されている位置から下流側に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナが配置されている位置から上流側に向かって２００ｍｍの位置までの範囲内である。メインバーナ４には、気体燃料を供給する供給孔（気体燃料を供給する孔）５」が形成されている。図１は、本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態を模式的に示す側面図である。図２は、本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態を模式的に示す平面図である。図３は、本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態の断面（燃焼用空気Ｆ１の流れ方向に平行であると共に、円筒状のメインバーナ４の中心軸に直交する断面）を示す模式図である。

このように、本実施形態の粒子状物質発生装置１００は、メインバーナとパイロットバーナの距離を近くし、燃焼エア（燃焼用空気）と気体燃料を燃焼室３内に共に連続的に供給しながら、当該気体燃料を燃焼させて粒子状物質を発生させるため、燃焼温度の高い粒子状物質を発生させることができる。更に詳細には、気体燃料を燃焼室３内に連続的に供給し空気過剰率を０．９〜２．０の間の高い範囲で燃焼させることにより、燃焼温度が高くなり、燃焼温度の高い炭素を主成分とする粒子状物質を生成させることができる。具体的には、粒子状物質の燃焼温度を、５２０〜５６０℃とすることができる。ここで、「炭素を主成分とする」とは、粒子状物質全体において炭素が９０質量％以上含有されることを意味する。粒子状物質中には、炭素以外にはＳＯＦ（ＳｏｌｕｂｌｅＯｒｇａｎｉｃＦｒａｃｔｉｏｎ：可溶性有機成分）分等が含有されることがある。

本実施形態の粒子状物質発生装置１００は、燃焼用空気Ｆ１を供給するための空気入口１及び発生した粒子状物質を含有する粒子状物質含有ガスＦ２を排出するためのガス出口２を有し、気体燃料が内部で燃焼されて粒子状物質が発生する、「両端部がテーパー状に細く形成された円筒状」の燃焼室３を備えるものである。燃焼室３の形状は、図１、図２に示すように、「両端部がテーパー状に細く形成された円筒状」であることが好ましいが、「一方の端部がテーパー状に細く形成された円筒状」であってもよく、また、両端部にテーパーが形成されていない通常の円筒状であってもよく、更には、底面が「四角形等の多角形（両端部又は一方の端部がテーパー状であるものも含む）」の筒状であってもよい。燃焼室３の形状が、図１、図２に示すように、「一方の端部がテーパー状に細く形成された円筒状」であると、「一方の端部がテーパー状に形成されている」ため、燃焼用空気および粒子状物質含有ガスの流れがスムースとなり、粒子状物質の発生量が多く、且つ、圧損を低く抑えることができる。また、燃焼室３の空気入口１とガス出口２には、図１、図２に示すように、他の部材や配管との接合のために、フランジ（鍔部）７が配設されていることが好ましい。

燃焼室３の大きさは、特に限定されないが、必要な範囲の燃焼エア（燃焼用空気）により、燃料を燃焼させ、粒子状物質を生成させることができる大きさであることが好ましい。例えば、評価試料の大きさの範囲から、必要な範囲の排気ガス流量が燃焼空気流量で４Ｎｍ^３／分〜０．２５Ｎｍ^３／分であって、粒子状物質の発生量（濃度）が０．２５〜０．７５ｇ／Ｎｍ^３必要となる場合、燃焼室内径（直径）は１３０〜２５０ｍｍであることが好ましく、１５０〜２００ｍｍであることが更に好ましい。また、同様に燃焼空気流量が４Ｎｍ^３／分〜０．２５Ｎｍ^３／分の場合の燃焼室３の容積は、６，０００〜３５，０００ｃｍ^３であることが好ましく、６，０００〜３０，０００ｃｍ^３であることが更に好ましい。燃焼室内径が１３０ｍｍより小さいと、粒子状物質の生成量が少なくなることがある。また、燃焼室内径が２５０ｍｍより大きいと最小燃焼空気流量が制限されることがある。燃焼室の内容積が、６，０００ｃｍ^３より小さいと燃焼室壁が高温となり、燃焼室が酸化劣化したり、周辺への熱遮蔽が必要となることがある。また、燃焼室の積が、３５，０００ｃｍ^３より大きいと、粒子状物質発生装置が大きくなるため、粒子状物質発生装置の製造コストや運転コストが大きくなり、粒子状物質発生装置を設置するためのスペースを大きくする必要が生じることがある。

ここで、燃焼空気流量とは、評価試験に必要となる所定温度の排気ガス流量を得るために必要となる燃焼空気流量を言う。排気ガス流量は、試料の容積に比例して決まり、最大燃焼空気流量及び最小燃焼空気流量とは、評価試料の容積が最大の場合に必要となる燃焼空気流量を最大燃焼空気流量、評価試料容量が最小の場合の燃焼空気流量を最小燃焼空気流量と言い、粒子状物質発生装置の設計仕様範囲である。

また、燃焼室３の形状が、図１、図２に示すように、「両端部がテーパー状に細く形成された円筒状」である場合、燃焼室３の空気入口１の「ガスの流れる方向に直交する断面」の面積は、燃焼室３の、「ガスの流れる方向に直交する断面」の面積の最も大きな部分における、当該最も大きな断面積の１５〜６０％であることが好ましく、２５〜５０％であることが更に好ましい。

また、燃焼室３の壁の厚さは、３〜１０ｍｍであることが好ましく、４〜７ｍｍであることが更に好ましい。燃焼室３の壁の厚さが薄すぎると、粒子状物質発生装置の強度が低下することがある。燃焼室３の壁の厚さが厚すぎると、粒子状物質発生装置が重くなり過ぎることがあり、また、粒子状物質発生装置の製造コストが高くなることがある。また、燃焼室３の材質としては、ステンレス鋼、ニッケル合金等を挙げることができる。

燃焼用空気Ｆ１は、コンプレッサーによって空気を加圧して生成させることが好ましい。そして、減圧弁および流量制御弁によって調整された燃焼用空気（圧縮空気）Ｆ１が、燃焼室３の空気入口１に供給されることが好ましい。燃焼用空気Ｆ１を発生させる装置は、冷却空気供給手段４１（図７を参照）としてもよい。つまり、冷却空気供給手段４１（図７を参照）で生成させた圧縮空気を、燃焼用空気Ｆ１及び冷却空気Ｆ３（図７を参照）の両方に使用してもよい。

本実施形態の粒子状物質発生装置１００においては、燃焼室３内の平均空気過剰率が０．９〜２．０であることが好ましく、１〜１．５であることが更に好ましい。平均空気過剰率が０．９より小さくても、平均空気過剰率が２．０より大きくても、粒子状物質の燃焼温度が低くなることがある。燃焼室３内の平均空気過剰率は、燃焼室３を流れる燃焼用空気全体の流量（体積）と供給している燃料全体の流量（体積）と、を用いて算出した値である。ここで、「空気過剰率」は、燃焼空気の流量（体積）を、「供給している燃料」を過不足なく燃焼させるために必要な空気の理論流量（体積）と燃料の流量（体積）で、除した値である。そして、燃焼室３内の平均空気過剰率は、燃焼室３内を流れる燃焼用空気全体の流量（体積）と、供給している燃料全体の流量（体積）と、を用いて算出した「空気過剰率」のことである。

本実施形態の粒子状物質発生装置１００においては、燃焼用空気Ｆ１の平均流速（燃焼室３内における燃焼用空気Ｆ１の平均流速）は、０．１〜４．０ｍ／秒であることが好ましく、０．１〜２．０ｍ／秒であることが更に好ましい。０．１ｍ／秒より遅いと、粒子状物質の燃焼温度が低くなることがある。４．０ｍ／秒より速いと、粒子状物質の発生量が少なくなることがある。

メインバーナ４から供給される気体燃料としては、メタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガス等を挙げることができる。

本実施形態の粒子状物質発生装置１００においては、図１〜３に示すように、気体燃料の供給孔５が形成された筒状のメインバーナ４が、中心軸が燃焼用空気Ｆ１の流れる方向に直交するように、燃焼室３の側面から燃焼室３内部に挿入されていることが好ましい。そして、図４に示すように、「メインバーナ４から供給される気体燃料」のメインバーナ４からの供給方向（気体燃料の供給方向）Ｑが、燃焼用空気Ｆ１の流れ方向を含む（燃焼用空気Ｆ１の流れ方向に平行な）平面内における、燃焼用空気Ｆ１の流れ方向を０°方向（Ｑ０）とし燃焼用空気Ｆ１の流れ方向に直交する方向を９０°方向（Ｑ９０）としたときの、９０°方向〜２７０°方向（９０°方向（Ｑ９０）〜２７０°方向（Ｑ２７０））であることが好ましく、１３５°方向〜２２５°方向であることが更に好ましい。このように、気体燃料の供給方向Ｑを、燃焼用空気Ｆ１の流れ方向を含む平面内における、９０°方向〜２７０°方向とすることにより、より燃焼温度の高い粒子状物質を多量に発生することができ１３５°方向〜２２５°方向とすることにより、更に燃焼温度の高い粒子状物質を多量に発生することができる。「気体燃料の供給方向」は、メインバーナ４の「供給孔５の向き」であるということもできる。図４は、本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態の断面を示す模式図である。図４は、燃焼用空気Ｆ１の流れ方向に平行であるとともに、メインバーナ４に直交する平面で切断した断面である。

燃焼室３内においてメインバーナ４が配置されている位置は、パイロットバーナ６から下流側（燃焼用空気Ｆ１の流れ方向における下流側）に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナ６から上流側（燃焼用空気Ｆ１の流れ方向における上流側）に向かって２００ｍｍの位置までの範囲内であり、パイロットバーナ６から下流側に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナ６から上流側に向かって１００ｍｍの位置までの範囲内であることが好ましく、パイロットバーナ６から下流側に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナ６から上流側に向かって５０ｍｍの位置までの範囲内であることが更に好ましい。

図５に示すように、本実施形態の粒子状物質発生装置１００においては、メインバーナ４は、「気体燃料を供給する供給孔５が１個形成され、供給孔５の開口径が４〜１０ｍｍである管状構造」であることが好ましい。メインバーナ４に供給孔５が１個形成される場合に、供給孔５の開口径が４ｍｍより小さく、１０ｍｍより大きいと、気体燃料と燃焼エア（燃焼用空気）の混合が良くなる場合があり、粒子状物質の生成量が少なくなることがある。メインバーナ４の形状は、図１、図５に示すように、円筒状であることが好ましいが、底面が「四角形等の多角形」の筒状であってもよい。図５は、本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態を構成するメインバーナを模式的に示す平面図である。

メインバーナ４の燃焼室３に挿入されている部分の長さ及び内径（メインバーナ４の内部の空間部分の、中心軸方向に直交する断面における直径）は、特に限定されないが、燃焼室の径、メインバーナ４の供給孔５の位置及び孔径で略決まる。一方、メインバーナ４の供給孔５の孔径は、粒子状物質発生装置の燃焼エア流量範囲とメインバーナ４の位置の流速で略決まり、燃焼エア流量範囲が０．２５Ｎｍ^３／分〜４Ｎｍ^３／分では４ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。また、メインバーナ４の壁の厚さは、３〜１０ｍｍが好ましい。３ｍｍより薄いと、メインバーナ４の強度が低下することがある。１０ｍｍより厚いと、メインバーナの内径が小さくなるか、メインバーナの外径（メインバーナ４の、中心軸方向に直交する断面における外周の直径）が大きくなることがある。メインバーナ４の外径が大きいと、燃焼室３内の燃焼空間が小さくなり、粒子状物質の生成量が少なくなることがある。

また、メインバーナ４の材質としては、ステンレス鋼、ニッケル合金等を挙げることができる。

本実施形態の粒子状物質発生装置１００は、図１〜図３に示すように、燃焼室３の壁面に取り付けられ、燃焼室に供給された気体燃料に着火する、パイロットバーナ６を備えている。パイロットバーナ６は、筒状であることが好ましく、燃焼室３の壁面に取り付けられていることが好ましい。パイロットバーナ６の構造としては、自動点火が可能であることが好ましく、また、圧縮空気の使用が可能であることが好ましく、また、火炎検知器の取り付けが可能であることが好ましい。

パイロットバーナ６の材質としては、ステンレス鋼、炭素鋼等を挙げることができる。

（２）粒子状物質発生装置の製造方法：
本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態の製造方法としては、特に限定されないが、例えば以下の方法を挙げることができる。

燃焼室、メインバーナ及びパイロットバーナを所定の材料を用いてそれぞれ作製する。燃焼室、メインバーナ及びパイロットバーナの材料は、上記本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態において好ましいとされた材料であることが好ましい。燃焼室、メインバーナ及びパイロットバーナは、それぞれ、上記本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態において好ましいとされた形状等に形成することが好ましい。

作製した、燃焼室、メインバーナ及びパイロットバーナを、上記本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態において好ましいとされた位置関係になるように組み立てて本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態を得ることが好ましい。

（３）粒子状物質発生方法：
本発明の粒子状物質発生方法の一の実施形態は、上記本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態を用いて、粒子状物質を発生させる方法である。

このように、本発明の粒子状物質発生方法の一の実施形態は、上記本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態を用いて、粒子状物質を発生させるため、燃焼温度の高い粒子状物質を発生させることができる。具体的には、粒子状物質の燃焼温度を、５００〜５６０℃とすることができる。そして、ＤＰＦの評価を効率よく実施可能な、粒子状物質発生装置として望ましい燃焼エア１Ｎｍ^３当たり、０．７５ｇ以上の粒子状物質を生成させることができる。

本実施形態の粒子状物質発生方法は、図１〜図３に示す粒子状物質発生装置１００を用いて、空気入口１から燃焼用空気Ｆ１と、メインバーナ４から気体燃料を共に連続的に供給し、（燃焼用空気Ｆ１、気体燃料共に連続的に供給する）パイロットバーナ６により気体燃料に着火して気体燃料を燃焼させて粒子状物質を発生させ、冷却用空気Ｆ３により排気ガス温度を調整し、粒子状物質を含有するガス（粒子状物質含有ガス）Ｆ２をガス出口２から排出するものである。

本実施形態の粒子状物質発生方法においては、平均空気過剰率（燃焼室内の平均空気過剰率）が０．９〜２．０になるように、空気入口から燃焼用空気を供給することが好ましい。平均空気過剰率は、１．０〜１．５であることが更に好ましい。平均空気過剰率が０．９より小さくても、平均空気過剰率が２．０より大きくても、発生する炭素を主成分とする粒子状物質の燃焼温度は低くなる。

本実施形態の粒子状物質発生方法においては、メインバーナ４に着火してから、１０〜２０秒後に、パイロットバーナ６を消火することが好ましい。１０秒後より前にパイロットバーナ６を消火すると、メインバーナ４がその後消えることがある。１０〜２０秒後にパイロットバーナ６を消火すると、安定した燃焼状態でさらにＰＭを効率よく発生することができる。

（４）多孔質セラミック構造体評価装置：
本発明の多孔質セラミック構造体評価装置の一の実施形態（多孔質セラミック構造体評価装置２００）は、図６に示すように、上記本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態（粒子状物質発生装置１００）と、粒子状物質発生装置１００のガス出口２側に配設された、評価試料である多孔質セラミック構造体３２を収納する試料収納容器３１とを備え、粒子状物質発生装置１００で発生した粒子状物質をガスと共に試料収納容器３１に送り（粒子状物質含有ガスＦ２を試料収納容器３１に送り）、粒子状物質を含有するガス（粒子状物質含有ガスＦ２）を試料収納容器３１に収納された多孔質セラミック構造体３２に供給することができるものである。図６は、本発明の多孔質セラミック構造体評価装置の一の実施形態を模式的に示す側面図である。

このように、本実施形態の多孔質セラミック構造体評価装置２００は、本発明の粒子状物質発生装置の一の実施形態（粒子状物質発生装置１００）で生成させた粒子状物質を試料収納容器３１に送り、試料収納容器３１内に収納された多孔質セラミック構造体３２に供給することができるため、燃焼温度の高い粒子状物質を多孔質セラミック構造体３２に送り、多孔質セラミック構造体３２についての、粒子状物質を捕集して行う試験を効果的に行うことができる。そして、自動車等に搭載した場合に近い試験結果を得ることができる。

本実施形態の多孔質セラミック構造体評価装置２００は、図６に示すように、冷却空気導入ノズル３３を側面に備えた冷却空気混合管３４を、粒子状物質発生装置１００と試料収納容器３１との間に、備えることが好ましい。そして、冷却空気導入ノズル３３から冷却空気混合管３４内に供給された冷却空気Ｆ３と、粒子状物質含有ガスＦ２とを、冷却空気混合管３４内で混合しして混合ガスを生成させ、当該混合ガス（冷却空気Ｆ３と粒子状物質含有ガスＦ２との混合ガス）の温度を制御することができることが好ましい。そして、この場合、混合ガス（冷却空気Ｆ３と粒子状物質含有ガスＦ２との混合ガス）が試料収納容器３１に送られる。これにより、より実際の使用に近い排気ガス温度・流量条件で多孔質セラミック構造体３２の評価をすることができる。冷却空気混合管３４と粒子状物質発生装置１００との接合、及び冷却空気混合管３４と試料収納容器３１との接合は、フランジを介して行われていることが好ましい。

また、本実施形態の多孔質セラミック構造体評価装置２００は、図７に示すように、冷却空気供給手段４１と、冷却空気供給手段４１から供給される空気（冷却空気Ｆ３）の流量を制御する冷却空気流量制御手段４２とを更に備え、冷却空気供給手段４１から、粒子状物質発生装置１００と試料収納容器３１との間（粒子状物質発生装置１００と試料収納容器３１との間に配設された冷却空気混合管３４内）に、冷却空気Ｆ３を導入し、冷却空気Ｆ３と粒子状物質を含有するガス（粒子状物質含有ガスＦ２）とを混合し、粒子状物質含有ガスＦ２の温度調整が可能であることが好ましい。粒子状物質含有ガスＦ２の温度制御の結果、得られるガスは、「冷却空気Ｆ３と粒子状物質含有ガスＦ２との混合ガス」である。また、冷却空気供給手段４１と冷却空気供給ノズルとが配管で接続されていることが好ましい。図７は、本発明の多孔質セラミック構造体評価装置の一の実施形態を模式的に示す側面図である。

冷却空気供給手段４１としては、特に限定されないが、具体的には、コンプレッサーによる空気の供給、ブロアによる空気の供給等を挙げることができる。冷却空気流量制御手段４２としては、特に限定されないが、具体的には、減圧弁や流量制御バルブ等を挙げることができる。

本実施形態の多孔質セラミック構造体評価装置２００において、試料収納容器３１は、円筒状の缶体であることが好ましいが、底面が「楕円形及び四角形等の多角形」の筒状の缶体であってもよい。また、試料収納容器３１は、ガスの入口側に入口管３１ａが配設され、ガスの出口側に出口管３１ｂが配設されていることが好ましい。そして、冷却空気混合管３４に入口管３１ａが接続され、冷却空気混合管３４から排出された粒子状物質含有ガスＦ２と冷却空気Ｆ３との混合ガスが、入口管３１ａから試料収納容器３１内に流入し、試料収納容器３１を通過して出口管３１ｂから外部に排出されることが好ましい。

試料収納容器３１の大きさは、試験を行う多孔質セラミック構造体を内部に収納することができれば特に限定されない。試料収納容器３１の材質としては、ステンレス鋼を挙げることができる。入口管３１ａの材質と出口管３１ｂの材質は、試料収納容器３１の材質と同じであることが好ましい。入口管３１ａ出口管３１ｂおよび整流管３５の内径（直径）は、試料の容積によって異なり、実エンジンの排気管径と略等しい径であることが好ましい。またテーパ部の傾きは３０°〜６０°であることが好ましい。また、整流管３５の、ガスの流れる方向における長さは、整流管３５の内径（直径）の５倍以上であることが好ましい。

本実施形態の多孔質セラミック構造体評価装置２００において、冷却空気混合管３４は、燃焼室３のガス出口２と同じ形状の開口部を有する円筒状の配管であることが好ましい。冷却空気混合管３４のガスの流れる方向における長さは、特に限定はないが、冷却空気混合管３４の内径の３倍以上の長さがあることが好ましい。

冷却空気混合管３４に配設される冷却空気供給ノズル３３の接続位置は特に限定はないが、冷却空気供給ノズル３３の内径（直径）は、冷却空気混合管３４の内径と同内径であることが好ましい。

冷却空気供給ノズル３３は、当該冷却空気供給ノズル３３から流入する冷却空気の進行方向と、冷却空気混合管３４のガスが流れる方向とにより形成される角度（小さい側の角度）が３０°〜６０°となるように冷却空気混合管３４に配設されていることが好ましい。これにより、冷却空気と、粒子状物質含有ガスとの混合を良くすることができる。冷却空気供給ノズル３３及び冷却空気供給ノズル３３の材質としては、ステンレス鋼、ニッケル合金等を挙げることができる。

本実施形態の多孔質セラミック構造体評価装置２００によって評価を行う多孔質セラミック構造体３２は、排気ガス等から粒子状物質を捕集するためのフィルターとして使用されるものであれば特に限定されない。例えば、図８、図９に示すような、「一方の端面５５から他方の端面５６まで貫通し」流体の流路となる複数のセル５２を区画形成する「多孔質セラミックからなる隔壁５１」と、外周に位置する外周壁５４とを備え、一方の端面５５における所定のセルの開口部と、他方の端面５６における残余のセルの開口部に目封止部５３を有するセラミックハニカム構造体５０を挙げることができる。図８、図９に示すセラミックハニカム構造体５０は、一方の端面５５側に目封止部５３が形成された上記所定のセルと、他方の端面５６側に目封止部５３が形成された上記残余のセルとが交互に並び、一方の端面５５と他方の端面５６に市松模様が形成されている。図８は、本発明の多孔質セラミック構造体評価装置の一の実施形態で評価を行うセラミックハニカム構造体５０を模式的に示す斜視図である。図９は、本発明の多孔質セラミック構造体評価装置の一の実施形態で評価を行うセラミックハニカム構造体５０のセルの延びる方向に平行な断面を示す模式図である。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図７に示すような構造の多孔質セラミック構造体評価装置２００を、厚さ９ｍｍのステンレス鋼を材料として作製した。また、燃焼室３のガスの流れる方向における長さを９００ｍｍとし、空気入口１（図１参照）における内径（直径）を７０ｍｍとし、ガス出口２（図１参照）における内径を１０６ｍｍとし、燃焼室３の中央の平行部分（テーパになっていない部分）の内径（直径）を１３０ｍｍとした。燃焼室３は、空気入口側及び空気出口側がテーパー状に細く形成された構造とし、テーパー状に形成された部分の、ガスの流れる方向における長さを１００ｍｍとした。冷却空気混合管３４のガスの流れる方向における長さを４５０ｍｍとし、内径を燃焼室３のガス出口２（図１参照）における内径と同じ長さにした。冷却空気混合管３４に配設される冷却空気供給ノズル３３は、内径（直径）１０６ｍｍとした。冷却空気混合管３４及び冷却空気供給ノズル３３は円筒状とした。試料収納容器３１は、内径（直径）３１３ｍｍ、長さ３６０ｍｍの円筒状とした。冷却空気供給手段としては、コンプレッサーを用い、空気を加圧して冷却空気を生成させた。冷却空気流量制御手段としては、減圧弁と流量制御弁を用いた。また、冷却空気供給手段によって発生させた空気（冷却空気）を、燃焼用空気及び冷却空気として用いた。

メインバーナ４は、直径（内径）１０．５ｍｍの円筒状とし、直径６ｍｍの供給孔５（図２参照）が１つ形成されたものとした。メインバーナ４は、ガスの流れる方向に直交する断面において供給孔が燃焼室３の中心に位置するように配置した。また、供給孔の向きを、「気体燃料の、メインバーナからの供給方向」が０°方向（図４参照）（「供給孔の向き」が０°方向（Ｑ０））になるようにした。メインバーナ４は、パイロットバーナ６の位置から、ガスの流れる方向における下流側に向かって５０ｍｍの位置に配置した。パイロットバーナ６は、自動点火が可能で、圧縮空気の使用が可能であり、火炎検知器の取り付けが可能であるものとしたパイロットバーナ６は、ガスの流れる方向に直交するように、燃焼室３の壁面に設置した。パイロットバーナ６は、燃焼室３の空気入口１から、燃焼室３の「ガスの流れる方向における長さ」の４００ｍｍの位置に配置した。

上記多孔質セラミック構造体評価装置２００を用いて、粒子状物質を発生させた。気体燃料としては、ＬＰＧ（液化石油ガス）を気化させたものを用いた。気体燃料使用量（ＬＰＧの使用量）を３４．３リットル／分とした。燃焼用空気は１．０Ｎｍ^３／分で供給し、冷却空気を加えた後の混合ガスのガス総量は７．０Ｎｍ^３／分であった。燃焼室内の平均空気過剰率λは、１．２であった。平均空気過剰率λは、体積基準で求めた値である。パイロットバーナは、メインバーナを着火して２０秒後に消火した。

上記粒子状物質発生方法によって発生した粒子状物質の燃焼温度（粒子状物質燃焼温度）を以下の方法で測定した。結果を表１に示す。

（粒子状物質の燃焼温度）
粒子状物質発生方法によって発生した粒子状物質を濾紙で捕集した。そして、「粒子状物質が捕集された濾紙」を、電気炉で４５０℃に加熱し、その後、「１０℃昇温する毎に１０分間保持する」という操作を繰り返しながら昇温し、濾紙上の粒子状物質が完全に焼失したときの温度を粒子状物質の燃焼温度とした。

（実施例２〜７）
「供給孔の向き」を、表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして、粒子状物質を発生させた。上記方法により、「粒子状物質燃焼温度」を測定した。結果を表１に示す。

（参考例）
特開２００７−１５５７１２号公報に記載のＰＭ発生装置を用いて、粒子状物質を発生させた。使用燃料である液体燃料としては、軽油を用いた。軽油の使用量（液体燃料使用量）は、３．６リットル／時間とした。燃料間欠噴射手段における、燃料の噴射時間（開弁時間）を１５ミリ秒とし、燃料噴射周期（開弁周期）を６０ミリ秒とした。これにより、デューティー比（開弁時間／開弁周期）は０．２５であった。また、燃焼用空気の供給量を０．４５Ｎｍ^３／分とし、総空気量を４．０Ｎｍ^３／分とした。平均空気過剰率λを０．８１とし、瞬間空気過剰率を０．２０とした。瞬間空気過剰率とは、液体燃料噴射時（開弁時）における、液体燃料の濃度が高くなった時点の空気過剰率である。実施例１と同様にして、「粒子状物質発生量」及び「粒子状物質燃焼温度」を上記方法で測定した。結果を表２に示す。

（実施例８〜１３、比較例１，２）
メインバーナの、供給孔の向きを１８０°方向（Ｑ１８０））とし、メインバーナの「パイロットバーナからの距離」を表３に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして粒子状物質を発生させた。表３の「パイロットバーナからの距離」の欄における、「プラスの数値（例えば、実施例８における「２００ｍｍ」）」は、「メインバーナ４が、パイロットバーナ６の位置から、ガスの流れる方向における上流側に向かって、当該数値だけ離れた位置に配置されている」ことを示す。また、表３の「パイロットバーナからの距離」の欄における、「マイナスの数値（例えば、実施例１３における「−１００」）」は、「メインバーナ４が、パイロットバーナ６の位置から、ガスの流れる方向における下流側に向かって、「当該数値の絶対値」だけ離れた位置に配置されている」ことを示す。上記方法により、「粒子状物質燃焼温度」を測定した。結果を表３に示す。

（実施例１４〜２０）
メインバーナの、供給孔の向きを１８０°方向（Ｑ１８０））とし、気体燃料使用量を表４に示すように変更することにより、燃焼室内の平均空気過剰率を変化させた以外は、実施例１と同様にして、粒子状物質を発生させた。実施例１と同様にして、「粒子状物質燃焼温度」を上記方法で測定した。結果を表４に示す。

表１より、燃焼室内に気体燃料を連続的に供給することにより、５００℃以上という高い燃焼温度の粒子状物質を得ることができることがわかる。

また、表１より、「供給孔の向き」が９０〜２７０°である場合に、５２０℃以上という高い燃焼温度の粒子状物質を得ることができることがわかる。更に、「供給孔の向き」が１３５〜２２５°である場合に、５４０℃以上という更に高い燃焼温度の粒子状物質を得ることができることがわかる。

表３より、燃焼室内におけるメインバーナが、「パイロットバーナから下流側（燃焼用空気の流れ方向における下流側）に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナから上流側（燃焼用空気の流れ方向における下流側）に向かって２００ｍｍの位置までの範囲」、に配置されることにより、５２０〜５６０℃という高い燃焼温度の粒子状物質を得ることができることがわかる。更に、メインバーナが、「パイロットバーナから下流側に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナから上流側に向かって１５０ｍｍの位置までの範囲」に配置されることにより、５３０〜５６０℃という更に高い燃焼温度の粒子状物質を得ることができることがわかる。更に、メインバーナが、「パイロットバーナから下流側に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナから上流側に向かって１００ｍｍの位置までの範囲」に配置されることにより、５４０〜５６０℃という更に高い燃焼温度の粒子状物質を得ることができることがわかる。更に、メインバーナが、「パイロットバーナから下流側に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナから上流側に向かって５０ｍｍの位置までの範囲」に配置されることにより、５５０〜５６０℃という更に高い燃焼温度の粒子状物質を得ることができることがわかる。尚、メインバーナが、「パイロットバーナから下流側に向かって１５０ｍｍの位置」に配置された場合（実施例１４）、メインバーナとパイロットバーナとの間の距離が遠いため、メインバーナが失火し易かった。そして、メインバーナが、「パイロットバーナから下流側に向かって１００ｍｍの位置」に配置された場合（実施例１３）には、失火の恐れはなかった。

表４より、燃焼室内の平均空気過剰率が、０．８および３．０の場合に、５００℃という高い燃焼温度の粒子状物質を得ることができることがわかる。また、燃焼室内の平均空気過剰率が、０．９〜２．０の場合に、５２０℃〜５６０℃という更に高い燃焼温度の粒子状物質を得ることができることがわかる。更に、燃焼室内の平均空気過剰率が、１．０〜１．５の場合に、５６０℃という更に高い燃焼温度の粒子状物質を得ることができることがわかる。

本発明の粒子状物質発生装置は、自動車用エンジン、建設機械用エンジン、産業用定置エンジン、燃焼機器等から排出される排ガスに含有される粒子状物質を捕集するための多孔質セラミック構造体の評価を行うために好適に利用することができる。

１：空気入口、２：ガス出口、３：燃焼室、４：メインバーナ、５：供給孔（気体燃料を供給する孔）、６：パイロットバーナ、７：フランジ（鍔部）、８：燃焼室の中心、３１：試料収納容器、３１ａ：入口管、３１ｂ：出口管、３２：多孔質セラミック構造体、３３：冷却空気導入ノズル、３４：冷却空気混合管、３５：整流管、４１：冷却空気供給手段、４２：冷却空気流量制御手段、５０：ハニカム構造体、５１：隔壁、５２：セル、５３：目封止部、５４：外周壁、５５：一方の端面、５６：他方の端面、１００：粒子状物質発生装置、２００：多孔質セラミック構造体評価装置、Ｆ１：燃焼用空気、Ｆ２：粒子状物質含有ガス、Ｆ３：冷却空気、Ｑ：気体燃料の供給方向（供給孔の向き）、Ｑ０：０°方向、Ｑ９０：９０°方向、Ｑ１８０：１８０°方向、Ｑ２７０：２７０°方向。

Claims

燃焼用空気を供給するための空気入口及び発生した粒子状物質を含有する粒子状物質含有ガスを排出するためのガス出口を有し、気体燃料が内部で燃焼されて粒子状物質が発生する燃焼室と、
前記燃焼室に挿入され気体燃料を前記燃焼室内に連続的に供給するメインバーナと、
前記燃焼室に取り付けられ前記燃焼室に供給された気体燃料に着火するパイロットバーナとを備え、
メインバーナが配置されている位置が、パイロットバーナが配置されている位置から下流側に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナが配置されている位置から上流側に向かって２００ｍｍの位置までの範囲内であり、
前記燃焼室内の平均空気過剰率が０．９〜２．０であり、
前記メインバーナから供給される気体燃料の前記メインバーナからの供給方向が、前記燃焼用空気の流れ方向を含む平面内における、前記燃焼用空気の流れ方向を０°方向とし前記燃焼用空気の流れ方向に直交する方向を９０°方向としたときの、９０°〜２７０°方向である粒子状物質発生装置。
燃焼用空気の平均流速が、０．１〜２ｍ／秒である請求項１に記載の粒子状物質発生装置。
気体燃料が、メタン、エタン、プロパン、及びブタンから選択される少なくとも一種である請求項１又は２に記載の粒子状物質発生装置。
前記メインバーナが、前記気体燃料を供給する供給孔が１個形成され、前記供給孔の開口径が４〜１０ｍｍである管状構造である請求項１〜３のいずれかに記載の粒子状物質発生装置。
燃焼室が、円筒状、少なくとも一方の端部にテーパーが形成された円筒状、又は底面が多角形の筒状である請求項１〜４のいずれかに記載の粒子状物質発生装置。
請求項１〜５のいずれかに記載の粒子状物質発生装置を用いて、粒子状物質を発生させる粒子状物質発生方法。
平均空気過剰率が０．９〜２．０になるように、前記空気入口から前記燃焼用空気を供給し、前記メインバーナから前記気体燃料を連続的に供給し、前記パイロットバーナにより前記気体燃料に着火して前記気体燃料を燃焼させて粒子状物質を発生させ、前記粒子状物質を含有するガスを前記ガス出口から排出する請求項６に記載の粒子状物質発生方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の粒子状物質発生装置と、前記粒子状物質発生装置のガス出口側に配設された、評価試料である多孔質セラミック構造体を収納する試料収納容器とを備え、
前記粒子状物質発生装置で発生した粒子状物質をガスと共に前記試料収納容器に送り、前記粒子状物質を含有する前記ガスを前記試料収納容器に収納された多孔質セラミック構造体に供給することができる多孔質セラミック構造体評価装置。
冷却空気供給手段と、前記冷却空気供給手段から供給される空気の流量を制御する冷却空気流量制御手段とを更に備え、
前記冷却空気供給手段から、前記粒子状物質発生装置と前記試料収納容器との間に、冷却空気を導入し、冷却空気と粒子状物質を含有するガスとを混合し、前記粒子状物質を含有するガスの温度制御をすることができる請求項８に記載の多孔質セラミック構造体評価装置。